CN107209969A - 使用基于先进的光谱技术检测欺诈的智能防伪光学系统（sacos） - Google Patents

Abstract

SACOS装置即时解决伪造问题，有助于开发新的安全特征，以帮助提高国际监管委员会、政府和中央银行在有效打击伪造行为方面发挥的作用。

Description

使用基于先进的光谱技术检测欺诈的智能防伪光学系统 (SACOS)

技术领域

本发明一般涉及防伪。

背景技术

分析仪器技术可用于检测伪造。所有参考的领域都使用单波长进行检测。目前的解决方案是：(1)在连续紫外线照射下，分析整张纸和收集荧光作为具有一些特殊的趋势(可以容易地再现)图像，(2)使用庞大且非常昂贵的机器以得到更准确的结果。实际的解决方案不够合适，100％安全，因为在实际的机器(安装在边界上且由警察局使用的机器)上或在必须运送有问题的样品的实验室通过肉眼只能看到荧光。主要使用的光谱性质之一是荧光，一旦染料在紫外光下(UV染料)荧光就可以显现。然而，这种技术绝对不能保证文档的真实性，特别是许多有机分子的荧光是常见的，并且不能真正地遵循特异性。荧光正在使用连续照射，然后对出现在电磁光谱的UV和可见光区域的单重态中的发射光谱已知的波长范围进行广泛的检测。货币局或边境护照上的钞票的快速控制测试不足以检测伪造的文档，特别是如果荧光是独立检测技术。在仪器分析领域使用创新技术是至关重要的。但是，这种仪器提供的结果应该能够高度准确地快速提供，以便在紧急情况下立即采取行动。

本发明试图解决这些问题以及其他问题。

发明概述

本文提供了用于智能防伪光学系统(SACOS)的系统、方法和装置。

方法、系统和装置部分地在下面的描述中阐述，并且部分地将从描述中显而易见，或者可以通过实践方法、装置和系统来获知。方法、装置和系统的优点将通过所附权利要求中特别指出的要素和组合来实现和获得。应当理解，前面的一般描述和以下详细描述仅仅是示例性和解释性的，而不是对要求保护的方法、装置和系统的限制。

附图说明

在附图中，在本发明的几个优选实施例中，相同的元件由相同的附图标记表示。

图1是一个智能防伪光学传感器(SACOS)图，显示了从激发源到检测器所解决的技术方面。

图2是SACOS原型。

图3A是50欧元钞票的图像；图3B是显示在50欧元钞票上进行的测试的图，显示了正品的指纹。伪钞不能通过SACOS具有相同的标志。

图4A是巴林(Bahraini)钞票的图像，图4B是由SACOS验证的具有巴林钞票的独特光谱指纹的图。

图5A是伊拉克钞票的图像，图5B是由SACOS验证的具有伊拉克钞票的独特光谱指纹的图。

图6A是卡塔尔钞票的图像，图6B是由SACOS验证的具有卡塔尔钞票的独特光谱指纹的图。

图7A是美国钞票的图像，图7B是由SACOS验证的具有美国钞票的独特光谱指纹的图。

图8A是英国钞票的图像，图8B是由SACOS验证的具有英国钞票的独特光谱指纹图。

图9A是印度钞票的图像，图9B是由SACOS验证的具有印度钞票的独特光谱指纹的图。

图10A是欧元钞票的图像，图10B是由SACOS验证的具有欧元钞票的独特光谱指纹的图表。

图11A是新加坡钞票的图像，图11B是由SACOS验证的具有新加坡钞票的独特光谱指纹的图。

图12A是瑞士钞票的图像，图12B是由SACOS验证的具有瑞士钞票的独特光谱指纹的图。

图13A是马来西亚钞票的图像，图13B是由SACOS验证的具有马来西亚钞票的独特光谱指纹的图。

图14A是黎巴嫩钞票的图像，图14B是由SACOS验证的具有黎巴嫩钞票的独特光谱指纹的图。

图15A是埃及钞票的图像，图15B是由SACOS验证的具有埃及钞票的独特光谱指纹的图。

图16A是泰国钞票的图像，图16B是由SACOS验证的具有泰国钞票的独特光谱指纹的图。

图17A是黎巴嫩护照的图像，图17B是由SACOS验证的具有黎巴嫩护照的独特光谱指纹的图。

图18A是法国护照的图像，图18B是由SACOS验证的具有法国护照的独特光谱指纹的图。

图19A是美国签证的图像，图19B是由SACOS验证的具有美国签证的独特光谱指纹的图。

图20A是罗马尼亚签证的图像，图20B是由SACOS验证的具有罗马尼亚签证的独特光谱指纹的图。

图21A是日本签证的图像，图21B是由SACOS验证的具有日本签证的独特光谱指纹的图。

图22A是泰国签证的图像，图22B是由SACOS验证的具有泰国签证的独特光谱指纹的图。

发明详述

从以下结合附图阅读的示例性实施例的详细描述中，本发明的前述和其它特征和优点是显而易见的。详细描述和附图仅仅是本发明的说明而不是限制，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

在描述本发明的上下文中使用术语“一”和“一个”和“该”以及类似的指示词将被解释为包括单数和复数，除非另有说明或上下文明确地与此相反。

除非本文另有说明，本文中值的范围的描述仅用于单独地引用落在该范围内的每个单独值的简写方法，并且将每个单独的值并入说明书中，如同它们在本文被单独列举一样。当附带数值时，“约”一词应被解释为表示与所述数值相差10％(含)的偏差。本文提供的任何和所有实施例或示例性语言(“例如”或“诸如”)的使用仅旨在更好地说明本发明，并且不对本发明的范围构成限制，除非另有说明。说明书中的任何语言不应被解释为指示任何未被声明的元素对于本发明的实践是必需的。

对“一个实施方案”，“实施方案”，“示例性实施方案”，“各种实施方案”等的参考可以指示如此描述的本发明的实施方案可以包括特定的特征、结构或特性，但是并不是每个实施方案都必须包括特定的特征、结构或特性。此外，重复使用短语“在一个实施方案中”或“在示例性实施方案中”不一定指代相同的实施方案，尽管它们可以指代相同的实施方案。

智能防伪光学传感器(SACOS)被公开并且基于用于确保钞票和真实文档的有机分子的光谱特性。SACOS系统基于一些有机染料关于在光谱的可见光区域中使用延迟发射它们对UV辐射的响应的所具有的独特性质。这种非破坏性技术选择性地应用点测试分析，其中完整的制图可以明确地显示新的安全特征的实现及其在特定位置到原始文档的定位。该SACOS技术被并入到微型化和便携式系统中，其中智能软件可以基于其发射寿命、发射波长和发射带之间的比率来识别有机示踪剂的独特标志。

在一个实施方案中，在SACOS中使用的软件允许多个验证过程，并且可以容易地定制以实现附加功能。可以使用几种方案来检测来自软件的伪造文档，包括但不限于以下内容：(1)将超过预定阈值的计数峰值与预定义的数据库进行比较；(2)一种相对方案，其包括(1)的参数，以及具有比较检测到的峰的比率的附加步骤；(3)使用人工神经网络(ANN)识别测量光谱的高级方案，其中高级方案可以解释部分失真的光谱，因此是最鲁棒的方案，其将减少误报概率；和(4)使用该材料的磷光衰变来区分钞票中使用的不同染料的寿命方案。

软件包括应用和算法。软件可以在智能手机、平板电脑或个人计算机、云、可穿戴设备或其他计算或处理设备中实现。软件可能包括日志、期刊、表格、游戏、录音、通讯、SMS消息、网站、图表、交互式工具、社交网络、VOIP(互联网语音协议)、电子邮件和视频。

智能防伪光学系统(SACOS)基于室温磷光。由于大多数钞票和正本纸都是100％由棉花或纤维素制成的，所以纤维素基质是磷光增强的理想选择。因此，SACOS系统仅考虑纸张而不是压凸印刷、水印、全息图、穿孔、安全线程、穿透数量、光泽条、微型打印(它们生产和控制成本更高)来提高安全性特征。

磷光是与荧光相关的特定类型的光致发光。与荧光不同，磷光材料不会立即重新发射其吸收的辐射。再发射的较慢时间尺度与量子力学中的“禁止”能量状态跃迁有关。由于这些跃迁在某些材料中非常缓慢地发生，所以吸收的辐射可以在较低的强度下再次发射，达到在最初激发后的几个小时。

其中化学底物吸收然后重新发射光的光子的大多数光致发光事件是快速的，在10纳秒级上。在所涉及的光子的能量与可利用的能量状态和衬底的允许跃迁相匹配的情况下，光在这些快速时间尺度下被吸收和发射。在磷光的特殊情况下，吸收的光子能量经历了异常的系统间交叉进入更高自旋多重性的能量状态(见术语符号)，通常是三线态。结果，能量可以被捕获在三重态中，只有经典的“禁止”跃迁可用于返回到较低能量状态。这些跃迁，虽然被“禁止”，但仍然会在量子力学中发生，但是在动力学上是不利的，因此在显著较慢的时间尺度上进展。大多数磷光化合物仍然是相对较快的发射体，三重态的寿命是几毫秒的数量级。然而，一些化合物的三重态寿命长达数分钟甚至数小时，使这些物质能够以非常缓慢降解的激发电子态的形式有效地存储光能。如果磷光量子产率高，这些物质将在长时间尺度上释放大量的光，产生所谓的“在黑暗中发光”的材料。

S₀+h_v→S₁→T₁→S₀+h_v′ 等式(1)

其中S是单线并且T是三线，其下标表示状态(0是基态，1是激发态)。跃迁也可以发生到更高的能级，但为了简单起见，表示第一激发态。

钞票包括有机分子、染料或磷光体。磷光体通常是各种类型的过渡金属化合物或稀土化合物。许多磷光体通过几种机制逐渐失去效率。活化剂可以经历价态变化(通常是氧化)，晶格退化，原子(通常是活化剂)通过材料扩散，表面经历与环境的化学反应，从而导致效率损失或积累吸收激发或辐射能量的层，等。电致发光器件的劣化取决于驱动电流的频率、亮度水平和温度；水分也会非常明显地损害磷光体的寿命。更硬、高熔点、水不溶性材料在运行时显示出较低的失去发光的倾向。用于磷光体的通常引用的参数是发射波长最大值的(以纳米为单位，或者为白色混合物的以开尔文为单位的色温)、峰值宽度(在强度为50％的情况下以纳米为单位)和衰变时间(以秒为单位)。

检测伪造和开发专用于有价值文档的新安全特征。这种检测技术将用于钞票、护照、签证和各种安全纸件。它也可用于检测法医科学感兴趣的分子，如尿液中的掺杂物或血液中的药物。

该SACOS装置可以使用尖端技术的便携式设备，以不经样本破坏的方式，以非常准确的方式，即时识别虚假钞票和伪造的有价值的证件。SACOS装置和系统使用有机分子和染料的特殊光谱性质。不寻常的特征是磷光寿命和发射波长的组合，可以以几秒钟的速度获得，并立即分析以发现伪造的钞票和非原始或伪造的有价值的证件。

SACOS方法是通过检测不可能用经典技术检测的发射信号来使用基础科学。SACOS方法包括一个仪器设计，用于收集沿光纤轴的光谱信号，并以智能的方式将信号注入到成像特性和小焦平面的光谱仪中。

SACOS方法和装置包括瞬时和非破坏性分析、高特异性分析、改进的安全特征以及准确的便携式仪器。在一个实施方案中，SACOS方法和装置向人提供从包括以下的组选出的反馈：听觉反馈(例如语音消息，报警，蜂鸣器，铃声或歌曲)；通过计算机生成的语音反馈；轻度外部电荷或神经刺激；在一天或一周的选定时间进行定期反馈；电话；文本或推送通知；由人从早期的时间预先记录的音频或视频信息；电视信息；以及触觉，振动或基于压力的反馈。

SACOS方法和装置包括基于其发射寿命来识别有机示踪剂的灵敏度和选择性。获取感兴趣的化学品的信号的速度可能不同。对钞票、护照、签证进行了测试，并且记录数据。该装置可以是任何尺寸。该SACOS器件的照片如图2所示。

如图1所示，SACOS装置100包括可操作地耦合到第一光纤120的光源110，并且第一光纤120的远端可操作地耦合到用于钞票200分析的光极130。在一个实施方案中，光源110可操作地耦合到套圈112，其中第一光纤120的近端可操作地耦合到套圈112。光极130包括同心光纤140。在一个实施方案中，同心光纤140包括用于激发的1700微米芯和用于发射的50微米芯。在一个实施方案中，同心光纤140包括矩形形状的两层47+46纤维，其保证提供最大的信号收集。

光极130可操作地耦合到第二光纤150的远端，并且第二光纤150的近端可操作地耦合到检测器160。在一个实施方案中，第二光纤的近端150可操作地耦合到可操作地耦合到检测器160的套圈152。在一个实施方案中，检测器160可以是24μm×24μm像素尺寸的TE电荷耦合器件(CCD)阵列(1024×122像素)，200-1100nm，集成冷却，与环境温度标称为-20℃。在替代实施方案中，检测器可以是互补金属氧化物半导体(CMOS)传感器或作为由包含像素传感器阵列的集成电路组成的图像传感器的有源像素传感器(APS)，每个像素包含光电检测器和有源放大器。在CCD图像传感器中，像素由p掺杂MOS电容器表示。当图像采集开始时，这些电容器被偏置在阈值以上以进行反转，允许在半导体-氧化物界面处将入射光子转换成电子电荷；然后使用CCD来读出这些电荷。

SACOS装置100利用保持190至1100nm的所有波长的多色激励信号。在一个实施方案中，使用100至2000nm的波长。从钞票发送到检测器的磷光信号采用与CCD的有效区域匹配的矩形狭缝的形式，从而使光谱仪的吞吐量最大化。第二光纤150中的光纤被线性地布置成两列，以使到光谱仪中的吞吐量最大化，如图1所示。在一个实施方案中，光纤包括布置在第一列中的15根光纤和布置在第二列中的16根光纤。任何数量的光纤可以布置在第一列和第二列中，例如在2根和100根光纤之间。

光化学传感器或光极是通常借助化学传感器光学测量特定物质的光学传感器装置。光化学传感器需要三个组件来起作用：响应于分析物的化学物质，固定化学传感器的聚合物和仪器(光纤，光源，检测器和其他电子设备)。光化学传感器通常将聚合物基质涂覆在光纤的尖端上，但是在隐失波光化学传感器的情况下，聚合物被涂覆在已经未被覆盖的纤维部分上。光化学传感器可以应用各种光学测量方案，如反射，吸收，隐失波，发光(荧光和磷光)，化学发光和表面等离子体共振。

溶液中的发光符合线性Stern-Volmer关系。分子的荧光被特定的分析物猝灭，例如钌络合物被氧淬灭。当荧光团固定在聚合物基质中时，会产生无数的微环境。微环境反映了分析物的不同扩散系数。这导致荧光和猝灭剂(分析物)之间的非线性关系。

信号(荧光)与氧气比率不是线性的，并且在低氧浓度下，光化学传感器最敏感，即随着浓度的增加灵敏度降低。然而，光化学传感器可在水中的氧饱和度为0-100％的整个区域内中工作，校准的方式与Clark型传感器相同。没有氧气消耗，因此传感器搅动不敏感，但如果传感器在放入样品后搅动，则信号将更快地稳定。

SACOS装置可操作用于数据处理和收集过程。SACOS使用独特的方法来匹配标准参考材料的数据，例如：(1)使用提供颜料和染料的独特磷光标志的完整波长的光谱；(2)比较属于相同磷光体的几个特征峰的比率。

替代磷光体或除了磷光体之外，还可以使用对某些波长范围(例如，对红外线)吸收或透明的特征物质。同样可以设置在不同浓度的钞票上存在磷光体。例如，可以在钞票的衬底中以低浓度存在磷光体，而在钞票的某些区域相同的特征物质以更高的浓度存在，例如在某些印刷区域。如果使用其发光波长根据所施加的磁场而变化，或者其在存在磁场的情况下衰变行为发生变化的磷光体，则可以对要检查的钞票进行验证，其中通过以永久磁铁另外产生限定的磁场。当用第一波长的光照亮待检查的钞票时，这导致产生第二波长的光，由此第二波长由磁场另外定义。如果用没有磁场的第一波长的光进行照明，则由具有不同于第二波长的波长的特征物质发出光或者衰变行为不同。

SACOS装置能够通过独特的指纹识别沉积在固体支持物上的有机分子。有机分子，比如用于钞票和其他安全官方文档(例如护照，签证，社会保障卡，支票，驾驶证，身份证等)中的安全特征的一些特殊染料，可以很容易地在几秒钟内被检测到，以便对有价值的证件进行验证。该SACOS仪器还可用于控制在有价值证件中实际用作染料的物质的存在，但如果使用提供独特且甚至机密的分析性答案的不实际使用的特殊有机分子，也可改善安全性。

使用具有染料性质的一些特殊有机分子作为其光谱特征，例如磷光体。SACOS技术是基于磷光的使用。如果有机分子沉积在最小化振动的固体载体上，可以在室温(RTP)下观察到磷光，从而改善通过三线态的辐射过程。这种现象具有比荧光更长的持续时间，并且可以根据所使用的磷光体以数微秒到数百毫秒的延迟来检测。磷光寿命特定于每个分子，除了作为独特组合的发射波长之外，还可以考虑到其荧光寿命，以改善安全性。由于所有有价值的证件都是由具有不同官能团(羟基)的纸(纤维素)或有机聚合物制成的，因此在辐射时允许制造过程中结合到载体中的有机分子的稳定化。这里存在很大的优点，因此不应使用添加剂来改善RTP信号。

图3B是示出在50欧元钞票上进行的测试的图，其中显示钞票中的染料的7个不同位置的真实部分的指纹，即1,2,3,4,5,6和7。P1-P7显示在特定波长处的不同的磷光，伪钞不能通过SACOS而具有相同的标志。为了进一步增强测量的评估，可以提供在钞票上的磷光的一定空间排列，例如取决于钞票的面额。在这里，在钞票上取7个不同的位置；然而，可以相应地采取并测量多个不同的磷光位置。

图4-21中提供了附图数据，用于钞票和护照/签证。图4-15表提供了钞票的发射光谱，图16-21提供护照/签证的发射光谱。从发射光谱可以看出，一些国家在其钞票中使用相同的材料。例如，如图4-6所示，巴林钞票(BHD)，伊拉克钞票(IQD)和卡塔尔钞票(QAR)利用同样的材料，具有多峰光谱，而英国钞票(GBP)，印度钞票(INR)和美国钞票(USD)使用具有单峰光谱的材料。还可以注意到，通过使用染料混合物(固定或不同比例)可以解释不同钞票的发射光谱的趋势是相同的，并且这种钞票是在同一工厂生产的。一些货币使用2种不同的颜色(红色和绿色)可检测的墨水，如黎巴嫩(LBP)，埃及(EGP)和泰国(THB)，如图14-16中的其光谱所示。

SACOS的发展正在结合使用的有机染料的尖端技术以及能够在几微秒的寿命内分析光信号的感测系统，其一直被认为是光谱测量的挑战。SACOS的设计是为了满足钞票和印刷行业的需要而进行的，以便使其便携，而不是实际的笨重且不准确的机器。

SACOS方法主要基于对于每个有机分子是独特的新的发射过程和磷光发射寿命的组合。此外，磷光发射发生在更长的波长，并且也可能在Vis/红外区域的边界处看到，以便使新的安全特征对通过伪造或复制模仿真实证件的人完全不知情。因此，检测伪造的证件变得更容易和更确定。

迄今为止，已经参照SACOS方法和装置描述了本发明，该方法和装置用于检查钞票并根据支票进行分类。然而，显而易见的是，本发明可以在必须来判断钞票真实性的情况下使用，例如还可以在自动售货机，现金存款机，现金存款和分发机器，所谓的回收器等中。SACOS方法和装置也可以在移动设备上驱动，例如在谷歌Play Store或苹果商店上的特殊应用开发时通过手持计算机或智能手机驱动。

SACOS装置可以用作许多终端用户的独立设备。SACOS装置可以被小型化以被并入安全检查点的机器(例如，假冒探测器)中。SACOS装置将能够读取诸如嵌入式油墨等安全特征。

本文使用的术语仅用于描述特定实施例的目的，而不意在限制本发明。例如，如本文所使用的，单数形式“一”，“一个”和“该”也旨在包括复数形式，除非上下文另有明确指示。将进一步理解，当在本说明书中使用时，术语“包括”和/或“包括有”指定所述特征、步骤、操作、元件和/或组件的存在，但不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作、元件、组件和/或其组合。如本文所用，术语“和/或”包括一个或多个相关列出的项的任何和所有组合，并且可以缩写为“/”。

在本文中可以使用诸如“下面”，“下方”，“下”，“上面”，“上方”等之类的空间相对术语以便于描述一个元件或特征与另一元件或特征的关系，如图所示。应当理解，空间相对术语旨在包括除了附图中所示的取向之外的使用或操作中的装置的不同取向。例如，如果图中的装置被反转，则被描述为在其它元件或特征“下面”或“下方”的元素将被定向在其他元件或特征的“上面”。因此，示例性术语“下面”可以包括上面和下面的取向。该装置可以以其他方式定向(旋转90度或以其它取向)，并且这里使用的空间相对描述符被相应地解释。类似地，除非另有具体说明，否则术语“向上”，“向下”，“垂直”，“水平”等仅用于说明的目的。

本文引用的所有参考文献通过引用整体并入本文。

虽然已经结合各种实施例描述了本发明，但是应当理解，本发明能够进一步修改。本申请旨在涵盖一般地符合本发明原理的本发明的任何变化、使用或改动，并且包括在本发明所属领域的已知和习惯的实践内的与本公开的这些偏离。

Claims (14)

1.一种智能防伪光学系统(SACOS)装置，包括：

a.可操作地耦合到第一光纤的光源，并且第一光纤的远端可操作地耦合到用于钞票分析的光极；和

b.所述光极可操作地耦合到第二光纤的远端，并且第二光纤的近端可操作地耦合到检测器，其中所述检测器检测多色信号。

2.根据权利要求1所述的SACOS装置，其中所述光源可操作地耦合到诸如套圈的连接器，并且所述第一光纤的近端可操作地耦合到所述连接器。

3.根据权利要求1所述的SACOS装置，其中，所述光极包括包括用于发射和激发的核(例如用于激发的1700微米的核和用于发射的50微米的核)的光纤。

4.根据权利要求3所述的SACOS装置，其中所述光纤包括被配置为任何几何形状的多个光纤的至少一层。

5.根据权利要求4所述的SACOS装置，其中所述第二光纤的近端可操作地耦合到与所述检测器可操作地耦合的连接器。

6.根据权利要求5所述的SACOS装置，其中所述检测器选自由CCD和CMOS组成的组。

7.根据权利要求6所述的SACOS装置，其中所述激励信号可以是包括约190至1100nm的波长的单色或多色信号。

8.根据权利要求7所述的SACOS装置，其中从所述文档发射到所述检测器的磷光信号采取与所述检测器的有效区域匹配的矩形狭缝的形式，以使光谱仪的吞吐量最大化。

9.根据权利要求8所述的SACOS装置，其中所述第二光纤包括布置在第一列中的多个光纤和布置在第二列中的多个光纤。

10.根据权利要求9所述的SACOS装置，其中所述第一列包括至少15根光纤，并且所述第二列包括至少16根光纤。

11.一种验证文档的方法，包括：

a.将超过预定义阈值的计数峰值与预定义的数据库进行比较。

12.根据权利要求11所述的方法，还包括：

a.比较检测到的峰的比率。

13.根据权利要求12所述的方法，还包括：

a.使用诸如人工神经网络(ANN)的AI技术来识别测量的光谱以解决部分扭曲的光谱并且降低误报的概率。

14.根据权利要求13所述的方法，还包括：

a.使用材料的磷光的衰减速率来区分文档中使用的不同染料。